余振华，韩舜愈，盛文军

(甘肃农业大学食品科学与工程学院，甘肃 兰州　730070)



超声波处理降解苹果汁中的农药毒死蜱

余振华，韩舜愈，盛文军

(甘肃农业大学食品科学与工程学院，甘肃 兰州730070)

摘要：【目的】 为降低苹果汁中农药毒死蜱的残余量.【方法】 采用超声波处理促进其降解，通过单因素试验考察了苹果汁中毒死蜱的初始浓度、超声处理时间、超声处理温度对苹果汁中毒死蜱降解率的影响，并在此基础上采用响应面法对降解工艺进行优化.【结果】 回归模型能较好的反应各因素水平与响应值之间的关系，同时最佳降解工艺参数为超声温度65 ℃，处理时间85 min，苹果汁中毒死蜱初始浓度为163 μg/L，在此条件下苹果汁中毒死蜱降解率可达85.796 7%.【结论】 该研究可以为果汁中农药毒死蜱残留的降解提供参考.

关键词：苹果汁；毒死蜱；超声波；响应面法

毒死蜱(chlorpyrifos)， 化学名称O，O-二乙基-O-(3，5，6-三氯-2-吡啶基)硫代磷酸酯，是一种含氯杂环类的有机磷低毒杀虫剂，可防治地上、地下农作物的病虫危害[[1-2].动物试验证明，毒死蜱可以增加超氧化物歧化酶的活性[3]，但是同时毒死蜱具有甲状腺激素作用，刺激大鼠甲状腺激素依赖的垂体细胞增殖，可能会导致婴儿认知功能出现障碍[4].

毒死蜱在中性或弱酸性介质中水解缓慢，其残留问题引起各国重视.欧盟委员会规定苹果中毒死蜱最大残留量为0.5 mg/kg；美国环保署将苹果中毒死蜱的残留限量定为0.01 mg/kg[5].在我国，规定苹果中毒死蜱残留最高限量为1 mg/kg[6].

现阶段，毒死蜱仍作为国内苹果种植常用杀虫剂，在苹果浓缩汁生产中造成农药残留超标的情况时有发生.目前常见的农药残留降解技术主要包括物理法、化学法和微生物法三大类[7]，而应用于苹果汁中毒死蜱的降解方法鲜有报道.超声波具有简单、方便、高效、污染小等诸多优点.因此，本研究拟以天水产区所榨苹果汁为试验原料，在其中接入定量毒死蜱工作液尝试通过超声波处理使其降解，以期为果汁中农药残留的降解提供参考.

1材料与方法

1.1试验材料

浓缩苹果汁：天水产区主要榨汁苹果所榨苹果汁，由甘肃天水长城果汁有限公司提供.

1.2主要试剂

毒死蜱：市售毒死蜱农药；毒死蜱工作液：取市售农药1 mL稀释至1 000 mL的容量瓶中，制备成毒死蜱工作液；含定量毒死蜱苹果汁：取浓缩果汁72 mL，加入毒死蜱工作液10 mL，用蒸馏水定容至500 mL，低温4 ℃保藏备用；氯化钠、丙酮、石油醚均为分析纯.

1.3仪器设备

RE-6000A旋转蒸发仪，上海亚荣生化仪器厂；SHZ-Ⅲ循环水真空泵，上海亚荣生化仪器厂；CPJ214型电子天平，奥豪斯仪器(上海)有限公司；JY92-11D 900W温控超声波细胞粉碎机，宁波新芝生物科技股份有限公司；TY10WD-12水浴氮吹仪，上海欠世环保科技有限公司；气相色谱仪(美国PE公司).

1.4果汁中毒死蜱的测定

参照有机磷农药的测定( NY/T 761-2004)并做修改.准确量取10 mL试样，置于125 mL分液漏斗中，加入2 g氯化钠和20 mL丙酮，振摇1 min，静置分层.取上层有机相，将水层放入另一分液漏斗，用丙酮重复提取2次(每次用量20 mL).弃去水层，合并3次丙酮提取液于原分液漏斗，并加入20 mL水溶液和20 mL石油醚振荡、静置分层，取上层有机相，提取2次，合并有机相.全部转移至旋转蒸发器内，于40～45 ℃下，蒸至剩余溶液约为1～2 mL.用石油醚将此溶液转移至5 mL棕色小瓶内于40 ℃下用氮气吹干.用2.0 mL石油醚溶解残留物，经0.45 μm滤膜滤至样液小瓶内，供GC测定.

1.5GC检测条件

甘肃省出入境检验检疫局Elite-5MS(30 m×0.25 mm×0.25 μm)；进样口温度：250 ℃；载气(氮气)；流速：0.8 mL/min；分流比为30∶1；升温程序：181 ℃保持3 min，以3 ℃/min的速度升至280 ℃，保持4 min；ECD检测器温度：375 ℃.结果以下式计算：

θ毒死蜱(%)=(C0-C1)/C0×100%；

式中：C0为空白对照果汁中的毒死蜱质量浓度，μg/L；C1为试验处理后的果汁中的毒死蜱质量浓度，μg/L.

1.6超声波降解苹果汁中毒死蜱条件的优化

1.6.1超声波处理温度对毒死蜱降解率的影响取上述50 mL含毒死蜱的苹果汁于烧杯中，选择25、35、45、55、65 ℃ 5个不同温度进行单因素试验，处理时间为70 min，每个处理做2个重复.空白不做处理.

1.6.2超声波处理时间对毒死蜱降解率的影响取上述50 mL含毒死蜱的苹果汁于烧杯中，控制环境温度30 ℃，处理温度为之前所选最优值，选择30、50、70、90、110 min 5个不同的处理时间进行单因素试验，每个处理做2个重复，空白不做处理.

1.6.3毒死蜱初始质量浓度对其降解率的影响控制环境温度30 ℃，固定之前所选的最优处理温度与最优处理时间，选择苹果汁中毒死蜱初始质量浓度分别为50、100、150、200、250μg/L 5个梯度进行单因素试验，每个处理做2次重复，空白不做处理.

1.6.4响应面法优化试验在单因素试验基础上根据Box-Behnken的中心组和设计原理，以处理温度(℃)、处理时间(min)和毒死蜱初始质量浓度(μg/L)3个因素为自变量，毒死蜱降解率(%)为响应值设计三因素三水平的响应面试验[8]，试验因素水平编码见表1.

2结果与分析

2.1超声波处理温度对毒死蜱降解率的影响

超声处理温度对果汁中毒死蜱的降解效果见图1，随着温度的升高，果汁中毒死蜱降解率呈先上升后下降趋势.在低于55 ℃时，毒死蜱降解率缓慢增加，其上升比例分别为58.30%、1.79%和11.56%.当超声波处理温度为55 ℃时，降解率达到最高，为64.45%.之后其随着温度的升高逐渐下降，这可能是由于温度过高使得果汁溶液表面产生雾化现象，导致原来界面趋于不明显化，液体中的气泡大量增多，液面反射能力削弱，声波散射损耗加强，减少了声波的利用率；并使气泡的蒸气压增大，增强了气泡闭合期间的缓冲作用，使空化能力减弱，降解能力也随之减弱[9].在65 ℃时比55 ℃降低10.03%.因此，选择超声波处理温度为55 ℃为最佳处理温度.

表1　响应面试验因素水平编码

图1　不同温度超声波处理对毒死蜱降解率的影响Fig.1　Variations of chlorpyrifos degradability after ultrasonic with different temperuture

2.2超声波处理时间对毒死蜱降解率的影响

由图2可以看出，在温度为55 ℃时，超声波处理对苹果汁中毒死蜱的降解能力起初随着处理时间的延长而逐渐增强，在90 min时达到最高点72.19%，而随着处理时间的继续延长，毒死蜱的降解率逐渐呈下降趋势，到110 min时只能降解53.27%，比90 min时高出40.5%.其原因可能是由于果汁固有理化性质及营养成分对超声波有削弱作用，此外，长时间超声波处理造成果汁中水分蒸发也是使果汁中毒死蜱质量浓度不降反升的原因之一.因此选择90 min为去除最佳时间.

图2　不同时间超声处理对毒死蜱降解率的影响Fig.2　Variations of chlorpyrifos degradability after ultrasonic with different time

2.3超声处理含不同质量浓度毒死蜱的果汁对降解效果的影响

苹果汁中毒死蜱初始质量浓度对降解率的影响见图3，在55 ℃下处理90 min时，随着苹果汁中毒死蜱质量浓度的增加，超声处理后降解率呈先增后减趋势，在毒死蜱初始质量浓度为50 μg/L时降解率仅有38.15%，当毒死蜱初始质量浓度为150 μg/L时，其去除率达到最高点，为65.02%，此时果汁中毒死蜱的残余量为42.84 μg/L.而当继续加大毒死蜱初始质量浓度至250 μg/L时，只能去除果汁中38.36%的毒死蜱，其残余量为75.5 μg/L.说明苹果汁中毒死蜱初始质量浓度对降解效果有较大的影响.

图3　不同毒死蜱初始质量浓度对降解率的影响Fig.3　Variations of chlorpyrifos degradability after ultrasonic with different concentration

2.4苹果汁中毒死蜱去除条件的优化

2.4.1回归方程建立与方差分析以单因素试验结果为基础，根据Box-Behnken试验设计原理，以处理温度(℃)、处理时间(min)和毒死蜱初始浓度(μg/L)3个因素为自变量，毒死蜱降解率(%)为响应值进行三因素三水平响应面试验，因素水平见表2，试验设计及结果见表2.

试验结果用 Design-Expert.8.05b数据分析软件进行回归分析，以处理温度(℃)、时间(min)与毒死蜱初始质量浓度(μg/L)为响应变量，以毒死蜱降解率(%)为响应值进行二次回归分析，得到二次回归方程为：

表2　响应面试验因素水平

Y=76.80+11.65A-2.00B+2.95C-0.55AB+0.65AC-1.95BC-2.67A2-6.67B2-7.58C2

表3　响应面设计方案和试验结果

表4　响应面二次模型模型方差分析

*表示差异显著(P<0.05)，**表示差异极显著(P<0.01).

2.4.2响应面分析利用Design-Expert.8.05b对表3进行多元二次回归拟合分析，以超声波处理温度、处理时间以及苹果汁中毒死蜱初始质量浓度之间的交互作用对苹果汁中毒死蜱降解率的影响进行分析比较，做出响应面和等高线图(图4).

等高线的形态可直观的反应出交互作用的强弱，椭圆形表示两因素交互作用显著，而圆形则与之相反[11].通过图4等高线可以直观的看出超声处理时间与毒死蜱初始质量浓度等高线图最为扁平，表示这2个因素之间相互影响最大，而超声处理时间与处理温度以及毒死蜱初始质量浓度与超声处理温度之间的相互影响较小.

由图4-A可以看出，在因素考察范围内，苹果汁中毒死蜱降解率随超声波处理时间的延长而先增后减，处理时间为89 min为转折点；随超声处理温度的升高而逐渐增加强，到65 ℃左右时达到最大值；由图4-B～C可知，超声波处理温度与毒死蜱初始质量浓度、超声波处理时间与毒死蜱初始质量浓度对苹果汁中毒死蜱的去除率均呈现出先增后减的关系，且超声波处理温度、毒死蜱初始质量浓度、超声波处理时间的最大致出现在89 ℃、169 μg/L、65 min左右.

图4　两因素交互影响的响应面与等高线Fig.4　Response surface and contour plots for the interactive effects of three process parameters on the extraction efficiency of puerarin

2.4.3响应面验证试验根据Box-Behnken所得出的结果和二次多项式方程，利用Design-Expert计算出降低苹果汁中毒死蜱吸附率的最佳工艺条件为：温度65 ℃、超声处理时间85.38 min、毒死蜱初始质量浓度为163.39 μg/L，在此条件下，苹果汁中毒死蜱的降解率理论值为86.549 3%.根据实际试验条件和计量精度将以上参数略作修改，即超声波温度65 ℃、处理时间85 min，毒死蜱初始质量浓度163 μg/L.根据修改后的工艺条件进行3次平行验证试验，苹果汁中毒死蜱降解率为85.796 7%，与预测值相比降低了0.75%，可见该模型能够较好的预测试验结果，可以为苹果汁生产中农药毒死蜱的去除提供一定的参考.

3结论

采用试验设计软件Design-Expert.8.05b，通过Box-Behnken中心组合试验设计得出苹果汁中毒死蜱降解率与超声处理时间、超声处理温度以及苹果汁中毒死蜱初始质量浓度的二次回归方程模型为：Y=76.80+11.65A-2.00B+2.95C-0.55AB+0.65AC-1.95BC-2.67A2-6.67B2-7.58C2，对其进行方差分析表明该模型P=0.001 5远小于0.01，极显著，而失拟项P=0.767 8>0.05，不显著，说明该模型拟合效果较好，能够充分反映实际情况.

利用模型响应面及等高线，对影响毒死蜱降解率的关键因素及其相互作用进行探究得出优化参数，根据实际试验条件及计量精度对其进行适当修改后所得出的最优去除条件为：超声温度65 ℃、处理时间85 min、苹果汁中毒死蜱初始质量浓度163 μg/L，在此条件下苹果汁中毒死蜱降解率可达85.796 7%.

参考文献

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(责任编辑李辛)

Decrease of chlorpyrifos in apple juice by ultrasonic treatment

YU Zhen-hua，HAN Shun-yu，SHENG Wen-jun

(Food and Engineering College,Gansu Agricultural University,Lanzhou 730070,China)

Abstract：【Objective】In order to reduce residue of chlorpyrifos in apple juice,the ultrasonic was used to promote the decrease of chlorpyrifos.【Method】 Single factor test was designed to analyze the original concentration of chlorpyrifos,processing time and temperature with ultrasonic on the chlorpyrifos decrease rate in apple juice and optimizing further decrease process technology with response surface method.【Result】 The regression model could reflect the relationship between each factor and level and response value.The optimal condition was as follows: ultrasonic temperature 65 ℃,processing time 85 minutes and original concentration of chlorpyrifos in the apple juice 163 μg/L.The decrease rate of chlorpyrifos reached to 87.796 7% under the optimized condition.【Conclusion】 The study provides reference for decrease of chlorpyrifos in juice.

Key words：apple juice concentrate;chlorpyrifos;ultrasonic;response surface method

通信作者：韩舜愈，男，教授，博导,主要从事果蔬加工方面的研究.E-mail：gsndhsy@163.com

基金项目：苹果浓缩汁果渣综合加工利用(2009GJG10018).

收稿日期：2014-11-23；修回日期：2014-12-10

中图分类号：TS 275.5

文献标志码：A

文章编号：1003-4315(2016)01-0138-06

第一作者：余振华(1988-)，男，硕士研究生，主要从事食品营养卫生方面研究.E-mail： 452931554@qq.com